Диссертация (Транзисторное устройство защиты авиационных систем распределения электроэнергии от аварийных электрических разрядов), страница 9

Ток прерывистой дуги вцепи с резистивной нагрузкой междулатунными контактами с зазором0,2 мм и напряжением питания 50 В.1.Электрическая цепь полностью разрывается на каждом такте(рис. 3.15). Такое течение процессов наиболее вероятно при сочетаниинизкого напряжения питания, относительно большого зазора, резистивнойнагрузки, алюминиевых или медных электродов.2.Электрическая цепь не разрывается, несмотря на периодическиемеханические разрывы между электродами.

Дуга горит постоянно, либо спромежутками(рис.3.16).Этонаиболеевероятноприсочетанииповышенного напряжения, малого зазора, индуктивной нагрузки, латунных,либо стальных электродов.3.Электрическая цепь не разрывается, но ток нагрузки пульсируетмежду исходным значением и некоторым промежуточным уровнем,отличным от нуля (рис. 3.17). Процесс наиболее вероятен при повышенномнапряжении, малом зазоре, R и RL нагрузках, электродах из стали илилатуни.4.Ток нагрузки хаотически изменяется между исходным уровнем,уровнем горения дуги и нулевым значением (рис. 3.18). Такой режимвозникает из предыдущих при изменении одного из параметров: напряженияпитания, зазора, либо материала электродов.58Во всех четырёх вариантах отмечается фаза периодического илихаотического по частоте уменьшения тока с исходного уровня до уровнягорения дуги, что может быть критерием наличия дуги прерывистого типа.Исключением является непрерывный процесс на рис.

3.16, который являясьчастным случаем устойчивой дуги, предполагает наличие дополнительныхтехнических средств для её индикации.3.3 Вольтамперная характеристика дуги.Электрические свойства дуги в установившихся режимах описываютсяеё вольтамперной характеристикой (ВАХ), имеющей вид гиперболы (рис.3.19). В цепи с источником постоянного напряжения и ограничительнымрезистором RОГР точка устойчивого горения дуги соответствует положению«В» на нижнем пересечении ВАХ дуги и прямой, соответствующейсопротивлениюограничительногорезистора.Приуменьшенииминимальный ток устойчивой дуги соответствует точке «С».UДUИПRогрАUИПIДUДСUД1UД2l1IД1l2ВIД2IКЗIДРис.

3.19. Вольт-амперная характеристика дуги.Для описания ВАХ часто используют модель Айртон:U Д  a  bl  (c  dl ) / I Д ;RОГР59где: UД, IД – напряжение на дуге и ток через дугу, l – расстояние междуэлектродами, a, b, c, d – экспериментальные константы, характеризующиематериал электродов, давление среды и др.При фиксированном расстоянии между электродами имеем:U Д  A  B / I Д , где где: A  a  bl , B  c  dlЗначения А и В можно определить из экспериментальных данных двухэлектрических измерений токов и напряжений в двух точках характеристики(l1 и l2):A  (U Д 1 * I Д 1  U Д 2 * I Д 2 ) /( I Д 1  I Д 2 ); B  (U Д 1  U Д 2 ) * I Д 1 *U Д 2 /( I Д 2  I Д 1 )Недостатком модели Айртон является тот факт, что при нулевыхзазорах (когда дуга гаснет) в уравнении сохраняется напряжение на дуге. Вработе [13] анализируется возможность использования более поздней моделиЦеллера [7]:E(t )  K PC /( I A (t )  I 0 )  K PEL /( LA (t )  L0 )где: KPC, KPEL – экспериментальные параметры, причём KPC отражаетмощность потерь в столбе дуги, а I0 и l0 введены для того, чтобы избежатьделения на ноль при нулевом зазоре.

Напряжение на дуге может бытьзаписано как:U Д  E (t ) * I A (t )  U AKгде: UAK – суммарное падение напряжения вблизи анода и катода (т.е.минимальное напряжение на дуге), предположительно независимое от тока иот длины зазора.Отметим, что предлагаемые количественные описания ВАХ дуги могутбытьпринятытолькоэкспериментальныевкачествепараметры,среднестатистических,входящиевмодели,посколькуподверженыхаотическим изменениям от замера к замеру. В связи с этим поставим себезадачу оценить минимальные значения напряжений на устойчивой дуге вфункции от материалов электродов, что позволит определить достоверные60минимальные относительные изменения токов при появлении дуги ииспользовать затем факт этих изменений как средство её индикации.Для экспериментальных измерений параметров ВАХ устойчивой дугибыл использован стенд с электромагнитным приводом, приведённый на рис.3.14. Ток через дугу задавался одним из двух способов: отисточникапостоянногонапряжения40…50Вчерезтранзисторный регулируемый ограничитель тока, работающий внепрерывном режиме (рис.

3.20); отисточникапостоянногонапряжения25…30Вчерезтранзисторный регулируемый ограничитель тока, работающий врелейном режиме (рис. 3.21).+UУПРVT2UСУVT1UИПRОПRДТРис. 3.20. Схема непрерывного ограничителя тока дуги.Первая схема содержит силовой МДП транзистор VT2, работающий вактивномрежиме,резистивныйдатчиктокаRДТ,усилительцепиотрицательной обратной связи на VT1 и источник напряжения UУПР,управляющий уровнем тока в силовой цепи путём изменения опорногонапряжения на резисторе RОП. Достоинство схемы – отсутствие пульсаций всоздаваемом силовом токе. Недостаток – пассивный характер ограничениятока, что вынуждает увеличивать напряжение питания.61VT2UСУ1VT1VD1UИПDA1UСУ2RДТVD3VD2UУПРLдрРис. 3.21.

Схема импульсного ограничителя тока дуги.Вторая схема содержит силовой МДП ключ, накопительный дроссель сбольшой индуктивностью, блокирующий диод VD3, датчик тока дросселяRДТ и полупроводниковое реле на операционном усилителе DA1.Достоинство схемы – активный характер ограничения тока, когда вцепь нагрузки передаётся энергия, накопленная в электромагнитном поледросселя. Это позволяет уменьшить напряжение питания и растянутьдиапазон исследуемых токов в сторону малых значений.Обе схемы позволили исключить из силовой цепи конкретные нагрузки(с их влиянием на характер тока) и проводить измерения в режиме короткихзамыканий нагрузочных цепей. Испытания показали практически полноесовпадение результатов измерений напряжений на устойчивой дуге призадании одинаковых токов от непрерывного и импульсного ограничителей.Измерения параметров ВАХ проводились в статическом режимеустойчивой дуги.

По данным [40] номинальные токи 70…80 % потребителейэлектроэнергииавиационныхнизковольтныхСЭСпостоянноготокаоказываются менее 10 А. Устойчивое горение дуги при таких уровнях тока ив нормальных атмосферных условиях наблюдается при расстояниях междуэлектродами не более 0,5…1,0 мм.62На рис. 3.22…3.25 приведены итоговые ВАХ дуговых разрядов, снятыепри различных материалах электродов и различных зазорах в схемах снепрерывным, либо импульсным ограничением токов. Анализ полученныхрезультатов позволяет сделать следующие выводы.UД,ВЛАТУНЬЛАТУНЬ30200,4мм0,3мм0,2мм0,1мм100IД,А12345Рис.

3.22. Вольт-амперные характеристики дуги между латуннымиэлектродами с различными зазорами (в мм).UД,ВМЕДЬ300,4мм0,2мм2010Рис. 3.23. Вольт-амперные характеристики дуги между меднымиэлектродами с различными зазорами (в мм).63UД,ВАЛЮМИНИЙЛАТУНЬ300,4мм0,2мм201001234IД,А5Рис. 3.24. Вольт-амперные характеристики дуги междуалюминиевыми электродами с различными зазорами (в мм).UД,ВСТАЛЬЛАТУНЬ30200,4мм0,2мм10012345IД,АРис. 3.25. Вольт-амперные характеристики дуги между стальнымиэлектродами с различными зазорами (в мм).64Максимальные падения напряжения на дуге при токах 3…5 А1.обнаружены между алюминиевыми и медными электродами и составляют всреднем 17,5…18,5 вольт при токе 3 А и зазоре 0,2 мм. Далее в порядкеубывания следуют напряжения на стальных и латунных электродах(14…15 В).2.При малых зазорах (0,1…0,2 мм) ВАХ дуги приобретают участкис оптимальной зависимостью напряжения от тока, выявленные для всехматериалов, использованных в экспериментах, что может быть связано сувеличением доли резистивной составляющей в напряжении дуги на фонеуменьшения плазменной составляющей короткого столба.3.При номинальном напряжении сети 27 В степень уменьшениянапряжения на нагрузке и тока в цепи за счёт потерь напряжения навозникшей дуге зависит от материла электродов и составляет 50…70 %, чтодостаточно заметно на фоне нормированных отклонений тока типовыхнагрузок и может быть использовано для создания схем индикации,контролирующих изменения токов в фидерах нагрузок, не связанных сколебаниями напряжения сети.3.4 Исследование пульсаций тока дуги.Основная цель такого исследования – оценка размаха пульсаций токадуги в цепях с типовыми нагрузками низковольтных СЭС как основыспособа индикации дуги по возникшим дополнительным пульсациям на фоненормализованных сетевых помех.Первоначально возникновение и развитие последовательной дуги иизучение её пульсаций наблюдалось на лабораторной установке, содержащейнеподвижный и подвижный электроды, закреплённые на керамическихизоляторах [43].